JP2009150795A - 非接触式回転角度検出センサ装置およびその出力補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
低コストで回転角測定精度の向上した非接触式回転角度検出センサを提供すること。
【解決手段】
５次以上の多項式にて近似して得られた補正定数に基づいて角度を算出する、ＧＭＲ素子及び信号処理手段及び磁界発生手段を含むセンサの個体差を補正する補正手段を備える。組立て後、基準回転角度信号と実測出力とを比較して温度依存性の低い補正係数で、実測出力信号を補正する。
【効果】
低コストで回転角測定精度の向上した非接触式回転角度検出センサを実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の回転角度を検出する非接触式回転角度検出センサ装置およびその出力補正方法に関する。

自動車のステアリングホイールやスロットルバルブなどにおける出力軸の回転角度の検出は、ステアリングシャフトやスロットルシャフトなどの回転部材に同期して回転するホイールあるいは磁気発生装置とこれら回転側エレメントに発生する回転角度に応じた物理量を角度検出センサを用いて検出する。この角度検出センサのセンサ部には磁気を感知して出力信号を出力する磁気抵抗効果素子をセンサ素子として用いた非接触型のものが信頼性等の観点から採用されている。しかし、このような磁気抵抗効果素子をセンサ素子として用いた非接触型の回転角度検出センサ装置においては、磁気抵抗効果素子の温度に基づく個体差や、磁石や信号処理回路などのようにセンサ装置を構成する部材の個体差あるいは組立て時の公差などを補正して信頼性を高める必要がある。このような従来の非接触式回転角度検出センサの先行技術文献としては、例えば以下の特許文献１，２が存在する。

特許第３７９９２７０号公報 特開２００５−５５２９７号公報

特許文献１に記載の従来例では、センサ素子として巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）が用いられ、センサ素子の個体差や、磁石や信号処理回路などのようにセンサを構成する部材の個体差を補正するために３次多項式にて近似した補正定数に基づいて角度を算出する技術が開示されている。

一方、特許文献２に記載の従来例では、センサ素子として異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子）が用いられ、センサ素子の個体差や、磁石や信号処理回路などのようにセンサを構成する部材の個体差を補正するために同じく３次多項式にて近似した補正定数に基づいて角度を算出する技術が開示されている。

前記の特許文献１，２では、個別センサの温度特性の個体差を補正するために、温度センサが必要となることに加えて、個別センサの温度補正定数を得るために異なる温度にセンサを加温，冷却して出力データを取得するための温度調整工程が増加してコスト高になる課題がある。

また、より高精度の角度検出が求められる非接触式回転角度検出センサに適用する場合には、前記の特許文献１，２における個体差を補正するための３次多項式にて近似した補正定数に基づいた角度算出では十分な精度が確保できないという課題がある。

本発明の目的は、従来例の課題の少なくとも一つを解決し、この種センサ装置の回転角度の測定精度を向上することにある。

上記目的は、５次以上の多項式にて近似して得られた補正定数に基づいて角度を算出する、ＧＭＲ素子及び信号処理手段及び磁界発生手段を含むセンサの個体差を補正する補正手段を設けることで達成される。

また、特定の被検出回転角度領域における高次多項式の各項の定数を温度依存性の低い補正係数によって求めることで達成される。

本発明によれば、従来の３次多項式を用いたものに比較して近似誤差が低減されので、精度が向上する。

また、温度調整工程が要らないので、作業性がよく、低コストである。

以下、図面を用いて、本発明の一実施形態による非接触式回転角度検出センサの構成及び動作について説明する。

本実施形態による非接触式回転角度検出センサは、回転体（ロータ）の回転角度を非接触にて計測するものである。ここで、回転体とは、例えば、自動車のステアリングシャフト，ハンドルロッド，スロットルバルブのシャフト，オートトランスミッションのシフトレール，アクセルペダルの回転シャフト等である。

最初に、図２を用いて、本実施形態による非接触式回転角度検出センサの全体構成について説明する。

図２において、ステータ部は、非磁性材料からなる平板状の支持部材としての非磁性基板３と、支持部材３の上面に位置されたＧＭＲ素子からなるセンサ素子２および信号処理回路部４からなる。

ロータ部は、非磁性材料からなる回転軸５と、回転軸５に一体固定された磁石６からなり、ステータ部と所定の間隔で対向するように回転軸５は固定ケース（図示せず）に回転自在に支持されている。磁石６は、フェライト等からなる円板状の磁石で、ステータ部のＧＭＲ素子からなるセンサ素子２に一様な回転磁界としての外部磁界７を形成するようにＮ極とＳ極が分極されて着磁されている。

図３は、ＧＭＲ素子からなるセンサ素子２の平面図である。

非磁性基板１７上に、ＧＭＲ素子Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６，Ｇ７およびＧ８が所定の形状に形成される。４０はＧＭＲ素子の両端に設けられた電極で、１５はロータ部の回転角Θがゼロの基準方向ｙに対して所定の方向に着磁されたＧＭＲ素子の固定磁性層（ピン磁性層）の磁化方向である。７が基準方向ｙに対して回転角Θ傾いた外部磁界Ｈで、１６は外部磁界７の方向に向いたＧＭＲ素子のフリー磁性層の磁化方向である。

各ＧＭＲ素子は、図４に断面構造を示した様に、非磁性基板１７上に下地層１８，反強磁性層１９，固定磁性層（ピン磁性層）２０，非磁性導電層２１，フリー磁性層２２および保護層２３の積層体からなり、固定磁性層（ピン磁性層）の磁化方向１５は反強磁性層１９の磁化と強固に磁気カップリングしていることから外部磁界７に影響されない。

一方、フリー磁性層の磁化方向１６は、基準位置方向ｙから回転角Θで回転する外部磁界７の方向に追随し磁化が回転する。ＧＭＲ素子では、前記の固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向の角度差（Θ）に依存して抵抗値が変化する。固定磁性層とフリー磁性層の磁化の方向が同じときに最小の抵抗値となり、逆の時に最大の抵抗値となり、ＧＭＲ素子の抵抗値は（１−cosΘ）に比例して変化する。
ΔＲ∝（１−cosΘ） …（１）
このＧＭＲ素子の抵抗値の変化からロータ部の回転角Θを検出する。

ＧＭＲ素子の特徴は、従来のＭＲ素子（ＡＭＲ素子）ではロータの回転を１８０degの回転角範囲しか検出できなかったのに対して、回転角の検出範囲が３６０degと検出範囲が広くなること。また、従来のＭＲ素子の磁気抵抗変化（ΔＲ）は約３％程度と感度が小さいのに対して、約１０％弱程度の高感度が得られることである。

図１に本発明の第一の実施例である非接触式回転角度検出センサのブロック構成を示す。

ＧＭＲ素子からなるセンサ素子２は、図１に示した２つのホーイストン・ブリッジ回路８ａ，８ｂを構成される。２つのホーイストン・ブリッジ回路８ａ，８ｂの出力は、信号処理回路４内の差動増幅器９ａ，９ｂに夫々接続され、増幅された出力Ｖｘ，Ｖｙとなり、信号処理部１０にて補正されて回転角Θが出力される。

各ＧＭＲ素子の固定磁性層の磁化方向は外部磁界Ｈによらず一定方向で、基準位置方向（ｙ）がＧ３，Ｇ４、ｙ軸に対して時計回りに９０deg方向がＧ７，Ｇ８、更に１８０deg方向がＧ５，Ｇ６、更に２７０deg方向がＧ１，Ｇ２となっている。各磁化方向の同じＧＭＲ素子は、ブリッジ回路にて対角に配置される。

第一のホーイストン・ブリッジ回路８ａは、４個のＧＭＲ素子Ｇ１，Ｇ２，Ｇ７，Ｇ８から、第二のホーイストン・ブリッジ回路８ｂは回転角の基準方向ｙに対して±９０度方向に所定の磁化の向きに設定された固定磁性層を有する４個のＧＭＲ素子Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６から構成される。

回転磁界（Ｈ）が基準位置方向（ｙ）に対してΘだけ回転すると、各ＧＭＲ素子におけるフリー磁性層の磁化方向が回転磁界（Ｈ）と一致する方向に回転する。各ＧＭＲ素子には、（１）式に対応した固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向の角度差に基づいて磁気抵抗変化が起こるので、結果として第一のホーイストン・ブリッジ回路８ａ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ７，Ｇ８）からは出力（Ｖｘ）が、第二のホーイストン・ブリッジ回路８ｂ（Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６）からは出力（Ｖｙ）が、図５に示す様な信号が得られる。

ホーイストン・ブリッジ回路８ａ，８ｂの増幅後の出力Ｖｘ，Ｖｙは、出力振幅をＡ，Ｂ、オフセット電圧をΔｘ，Δｙとすれば下式となる。
Ｖｘ＝Ａ＊sinΘ＋Δｘ …（２）
Ｖｙ＝Ｂ＊cosΘ＋Δｙ …（３）
理想状態の場合（Ａ＝Ｂ，Δｘ＝Δｙ＝０）には、出力Ｖｘ，Ｖｙと回転角（Θ）には、
Θ＝tan^-1（Ｖｘ／Ｖｙ） …（４）
（４）式の関係が成り立つので、信号処理部１０にてtan^-1の関数演算を行えば回転角（Θ）が得られる。

しかし、実際の角度検出センサでは、ロータとステータ間の組立誤差や、センサ素子（ＧＭＲ素子）２の抵抗パターン精度や磁性膜のバラツキや、磁石の取り付け誤差などがあり、出力Ｖｘ，Ｖｙは、数学的な正弦波および余弦波からの差異が存在する。この差異が角度精度に影響を与える。

実際のＧＭＲ素子を用い、（４）式のtan^-1の関数演算を適用した角度検出センサの測定誤差を、図６に示した。理想の正弦波および余弦波からの差異が、非直線性の問題として特に、９０deg毎に測定誤差の増大が見られる。この非直線性の問題が、従来から大きな課題となっていた。

この様な角度検出センサの個別センサの個体バラツキを補正する手段として、特許文献１，２に示した従来技術がある。従来技術では、個体差を補正するための３次多項式にて近似した補正定数に基づいた角度算出を行っている。

従来技術では、角度検出センサが組み立てられた後に、つまり、センサ素子２と磁石６の位置関係が定まった後に、キャリブレーションが行われる。

キャリブレーションは、調整台座の上に、角度検出センサとロータリーエンコーダが取り付けられた調整装置にて行われる。角度検出センサの回転軸とロータリーエンコーダの回転軸が、同期して回転するように取り付けられる。

角度検出センサとロータリーエンコーダの出力は、ホストコンピュータに接続され、データの送受信を行っている。ロータリーエンコーダは、回転軸の回転角度に対応した基準となる絶対角度を提供する。

従来技術では、角度検出センサの組立後に、キャリブレーションによりロータリーエンコーダから得られた基準回転角Θとセンサの生出力データから補正カーブ（３次多項式近似）を求める。

この補正カーブにより非直線性を補正することから、個別センサの素子自体のバラツキに加えてロータ磁石の着磁バラツキおよび実装位置ずれ等を含むトータル誤差を補正することが出来る。

このことは、量産工程における組付け精度許容値が広くなり、組立歩留および工数低減という観点からも利点がある。

しかしながら、従来技術では、より高精度の角度検出が求められる非接触式回転角度検出センサに適用する場合には、３次多項式にて近似した補正定数に基づいた角度算出では十分な精度が確保できないという課題がある。

また、従来技術では、個別センサの温度特性の個体差を補正するために、温度センサが必要となることに加えて、個別センサの温度補正定数を得るために異なる温度にセンサを加温，冷却して出力データを取得するための温度調整工程が必要となり、コスト高になる課題がある。

以下、本発明の実施例における多項近似式補正方法を、図１，図９および図１０を用いて詳細に説明する。

本実施例の５次多項式を用いた補正方法においても、角度検出センサの組立後に、キャリブレーションによりロータリーエンコーダから得られた基準回転角Θとセンサの生出力データから補正カーブを求める工程は従来技術と同じである。

図１の外部信号処理回路部１２がホストコンピュータに対応し、外部信号処理回路部１２には、差動増幅後のセンサ素子の出力Ｖｘ，Ｖｙが接続端子１３ａ，１３ｂから入力されるとともに、ロータリーエンコーダから得られた基準回転角Θ（図では省略）の信号も入力される。

ただし、本実施例では、キャリブレーションは室温近傍の一定温度で行われ、個別センサの温度補正定数を得るために異なる温度にセンサを加温，冷却するキャリブレーションは行わない。

図９に示すように、室温でのキャリブレーションでは、ステップ１００にてセンサ組立後に生データを取得する。基準回転角Θ（Θ＝０〜３６０deg）の一回転分の出力（Ｖｘ，Ｖｙ）の測定データを、もしくは所望検出回転角領域分の測定データを取得する。

次に、ステップ１０１では、得られた基準回転角Θ（Θ＝０〜３６０deg）の一回転分の出力（Ｖｘ，Ｖｙ）、もしくは所望検出回転角領域分の出力（Ｖｘ，Ｖｙ）の測定データに基づいて、オフセット電圧Δｘ，Δｙと出力振幅比α（α＝Ａ／Ｂ）の算出を下記の（５）〜（９）式に基づいて行う。
Δｘ＝（ｍａｘ（Ｖｘ）＋ｍｉｎ（Ｖｘ））／２ …（５）
Δｙ＝（ｍａｘ（Ｖｙ）＋ｍｉｎ（Ｖｙ））／２ …（６）
α＝Ａ／Ｂ …（７）
Ａ＝（ｍａｘ（Ｖｘ）−ｍｉｎ（Ｖｘ））／２ …（８）
Ｂ＝（ｍａｘ（Ｖｙ）−ｍｉｎ（Ｖｙ））／２ …（９）
この時、ステップ１０５に示すように、信号処理回路４内のメモリ１１に接続端子１３ｃを介して、オフセット電圧Δｘ，Δｙと出力振幅比αの算出結果を記憶しておく。

次に、ステップ１０２にて、上記のオフセット電圧Δｘ，Δｙと出力振幅比αの値を用いて、実測した出力Ｖｘ，Ｖｙのオフセットと振幅補正を行う。ステップ１０３では、得られた補正後出力Ｖｘ′，Ｖｙ′から出力比ｘ（ｘ＝Ｖｘ′／Ｖｙ′またはＶｙ′／Ｖｘ′）を下式により算出する。
ｘ＝Ｖｘ′／Ｖｙ′＝（Ｖｘ−Δｘ）／（Ｖｙ−Δｙ）／α …（１０）
ｘ＝Ｖｙ′／Ｖｘ′＝（Ｖｙ−Δｙ）／（Ｖｘ−Δｘ）＊α …（１１）
次に、ステップ１０４では、基準回転角Θと出力比（ｘ）との関係から、得られたデータに最もフィットする５次の近似多項式を最小自乗法によりを求める。基準回転角Θと出力比（ｘ）との関係は、図７に示したカーブとなる。

図７にて、基準回転角Θと出力比（ｘ）とを対比させる領域は、基準回転角Θ＝０〜３６０degをＶｘ′／Ｖｙ′およびＶｙ′／Ｖｘ′の絶対値が１以下になるように（ｉ），（ii），（iii），（iv），（ｖ）の５領域に分割する。ここでのＶｘ′／Ｖｙ′およびＶｙ′／Ｖｘ′が下式に示す５次多項式の変数ｘ（出力比）となる。
Θ＝ａｘ⁵＋ｂｘ⁴＋ｃｘ³＋ｄｘ²＋ｅｘ＋ｆ …（１２）
各領域（ｉ），（ii），（iii），（iv），（ｖ）の判定は、表１に示した様にＶｘ′、Ｖｙ′の正負と絶対値の大小関係から行う。各領域（ｉ），（iii），（ｖ）では基準角Θと（Ｖｘ′／Ｖｙ′）との関係から、領域（ii），（iv）では基準角Θと（Ｖｙ′／Ｖｘ′）との関係から、夫々の領域毎に実測データに一致するような５次多項式が夫々得られる。

（１２）式の５次多項式において、定数ｆは基準回転角Θ＝０に対するセンサ個体のオフセット角度誤差であり、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは理想の正弦波および余弦波からの差異に起因する非直線性を補正する定数である。

ここで得られた５次多項式の補正定数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは、ステップ１０５に示すオフセット電圧Δｘ，Δｙと出力振幅比αと同様に、信号処理回路４内のメモリ１１に記憶される。

以上で、図９に示した、外部信号処理回路部１２による、室温でのキャリブレーション処理は終了する。

次に、図１０と図１を用いて、補正された角度検出センサの回転角Θの算出方法を説明する。

図１において、外部磁界７の回転に伴うＧＭＲ素子２の出力が、差動増幅器９ａ，９ｂで増幅され、出力Ｖｘ，Ｖｙとして信号処理部１０に入力される。信号処理部１０では、図１０のステップ１１０にて、出力Ｖｘ，Ｖｙを入力する。ステップ１１１では、先にメモリ１１に記憶された補正定数Δｘ，Δｙ、αの値を用いて、生出力Ｖｘ，Ｖｙのオフセットと振幅補正を行う。

ステップ１１２では、補正後出力Ｖｘ′，Ｖｙ′に基づき、表１に示した正負と絶対値の大小関係の領域条件から、各領域（ｉ），（ii），（iii），（iv），（ｖ）の判定を行う。次に、ステップ１１３では、補正後出力Ｖｘ′，Ｖｙ′から（１０）および（１１）式により出力比（ｘ＝Ｖｘ′／Ｖｙ′またはＶｙ′／Ｖｘ′）を算出する。

ステップ１１４では、ステップ１１５における先にメモリ１１に記憶された各領域（ｉ），（ii），（iii），（iv），（ｖ）に対応した５次多項式の補正定数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆから（１２）式により回転角Θを算出して出力する。

この様にして得られた、本実施例の非接触式回転角度検出センサの出力結果を図８に示す。図にて実線で示す特性曲線２６が、本実施例の５次多項式を用いた非接触式回転角度検出センサの基準回転角Θに対する近似誤差で、破線で示す特性曲線２５が従来の３次多項式を用いた近似誤差である。

従来の３次多項式では、約±０.４degの近似誤差が発生するのに対して、本実施例の５次多項式では、±０.１deg以下と高精度化が図れている。本実施例では５次多項式を用いたが、更に高次の５次以上の多項式を用いてもかまわない。

次に、自動車用センサとして重要な温度特性に関して、本実施例の非接触式回転角度検出センサの結果を、図１３に示す。図１３における実線で示す特性曲線３０が、本実施例の非接触式回転角度検出センサの−４０，２５，１１５℃の温度における角度誤差ΔΘの結果である。

一方、破線で示す特性曲線３１に示したのが、従来のtan^-1の関数演算または３次多項式を用いた従来例の室温における角度誤差ΔΘである。従来例では、室温での角度誤差ΔΘが±１deg以上あるのに対して、本実施例の非接触式回転角度検出センサでは角度誤差ΔΘが±０.５deg以下が−４０〜１１５℃の温度範囲で実現している。

本実施例の非接触式回転角度検出センサでは、温度調整工程が無くても上記のように高精度の角度検出が可能となる。従って、温度調整工程の削除が可能となることから、温度調整工程と温度センサが必須である従来例に比較して低コスト化が実現できる。

本実施例の非接触式回転角度検出センサに用いた、ＧＭＲ素子の出力振幅Ａ，Ｂの温度特性を図１１に、同じく出力振幅比α＝Ａ／Ｂの温度特性を図１２に夫々示した。

図１１の出力振幅Ａ，Ｂの温度特性を見ると、温度の上昇とともに出力振幅が大きく減少している（ＧＭＲ素子の磁性膜の温度特性）が、図１２に示した出力振幅比α＝Ａ／Ｂの温度特性では、温度によらずα＝１の一定値となっている。このことは、５次多項式の変数ｘとなる出力比（ｘ＝Ｖｘ′／Ｖｙ′またはＶｙ′／Ｖｘ′）が、温度によらず一定値となることを示している。

本実施例の５次多項式の変数ｘとして、出力比（ｘ＝Ｖｘ′／Ｖｙ′またはＶｙ′／Ｖｘ′）を導入したことにより、温度影響を考慮する必要が無いことから温度調整工程の削除が可能となり、また、従来例で必須であった温度センサをも不要となる。

また、本実施例の非接触式回転角度検出センサに用いたＧＭＲ素子は、図３に示すように非磁性基板１７上に近接して同一プロセスにて形成された磁性膜を用いていることから、各ＧＭＲ素子のバラツキが少なく均一な特性を示すこと。

更には、ＧＭＲ素子の磁気抵抗変化（ΔＲ）が、従来のＭＲ素子の約３％程度に対して、約１０％程度の高感度が得られることから、オフセット電圧Δｘ，Δｙの温度影響が低減され、温度特性の改善（温度調整工程の削除）に寄与している。

また、本実施例の非接触式回転角度検出センサでは、５次多項式の補正に、差動増幅器９ａ，９ｂの増幅後の出力Ｖｘ，Ｖｙを用いることから、差動増幅器に起因するオフセット電圧および増幅率の個体バラツキをも同時に補正できる特徴がある。

以上の様に、本実施例の非接触式回転角度検出センサによれば、補正前の個別センサの測定は室温近傍の一定温度環境にて測定されたデータに基づいて補正することにより、温度調整工程が簡略化され、低コストで測定精度の向上した非接触式回転角度検出センサが提供できる。

以上の実施例に記載された実施の態様を整理すると以下の通りである。

回転軸５と共に回転する磁界発生手段としての磁石６と、回転軸５の回転により、磁界発生手段としての磁石６から発生する磁界の変化を検出するセンサ素子２と、このセンサ素子２の出力信号を処理する信号処理手段としての信号処理回路部４とを有し、センサ素子２の出力信号Ｖｘ，Ｖｙに基づいて回転軸５の回転角度Θを測定する非接触式回転角度検出センサにおいて、
センサ素子２は、回転角Θに対して位相の異なる第１及び第２の出力Ｖｘ，Ｖｙを出力し、
第１及び第２の出力Ｖｘ，Ｖｙのオフセット値（Δｘ＝（ｍａｘ（Ｖｘ）＋ｍｉｎ（Ｖｘ））／２，Δｙ＝（ｍａｘ（Ｖｙ）＋ｍｉｎ（Ｖｙ））／２）と、振幅比（α＝Ａ／Ｂ）とを個別センサの補正前の測定値に基づいて補正した第１及び第２の補正出力Ｖｘ′，Ｖｙ′の出力比ｘ（ｘ＝Ｖｘ′／Ｖｙ′またはＶｙ′／Ｖｘ′）を変数として、
目標角度特性と前記出力比ｘの角度特性の関係から５次以上の多項式にて近似して得られた補正定数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）に基づいて角度を算出する。

このように構成された実施例のセンサでは、センサ素子及び信号処理手段及び磁界発生手段を含むセンサの個体差を補正する補正手段を備えたことにより、従来の３次多項式に比較して近似誤差が低減され、更に温度調整工程が要らなくなる為に低コストで回転角測定精度の向上した非接触式回転角度検出センサが提供できる。

具体的にはセンサ素子２は、少なくとも磁化の向きが固定された固定磁性層２０と、非磁性導電層２１と、フリー磁性層２２を有する多層構造の巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）２が、所定の磁化の向きに設定された固定磁性層２０を有する複数のＧＭＲ素子２からなる。

具体的には所定の磁化の向きに設定された固定磁性層２０を有する４個のＧＭＲ素子（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ７，Ｇ８）からなる第一のホーイストン・ブリッジ回路８ａと、第一のホーイストン・ブリッジ回路８ａとは位相が９０度異なる方向に所定の磁化の向きに設定された固定磁性層２０を有する４個のＧＭＲ素子（Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６）からなる第二のホーイストン・ブリッジ回路８ｂから構成した。

これより出力感度が向上し低コストで回転角測定精度の向上した非接触式回転角度検出センサが提供できる。

前記第１及び第２の出力Ｖｘ，Ｖｙは、ＧＭＲ素子２からなる第一および第二のホーイストン・ブリッジ回路８ａ，８ｂからの出力を差動増幅器９ａ，９ｂにより増幅した後の出力としたことにより、個別の差動増幅器９ａ，９ｂの個体差をも含めて補正できることから、より回転角測定精度の向上した非接触式回転角度検出センサが提供できる。

第１及び第２の出力Ｖｘ，Ｖｙのオフセット値（Δｘ＝（ｍａｘ（Ｖｘ）＋ｍｉｎ（Ｖｘ））／２，Δｙ＝（ｍａｘ（Ｖｙ）＋ｍｉｎ（Ｖｙ））／２）と、振幅比（α＝Ａ／Ｂ）とを補正前の個別センサの測定値に基づいて第１及び第２の補正出力Ｖｘ′，Ｖｙ′を補正するに当って、補正前の個別の測定は室温近傍の一定温度環境にて測定されたデータに基づいて補正する。これにより、温度調整工程が簡略化され、低コストで回転角測定精度の向上した非接触式回転角度検出センサが提供できる。

以上詳細に説明した本実施例によれば、５次以上の多項式にて近似して得られた補正定数に基づいて角度を算出する、ＧＭＲ素子及び信号処理手段及び磁界発生手段を含むセンサの個体差を補正する補正手段を備えたことにより、従来の３次多項式に比較して近似誤差が低減され且つ温度調整工程が要らない、低コストで回転角測定精度の向上した非接触式回転角度検出センサが提供できる。

本発明は自動車のステアリングホイールの回転、アクセル装置のアクセル踏み込み量の測定やスロットルバルブの回転角度を検出するセンサに用いられるだけでなく、オートトランスミッションのシフト装置用アクチュエータの出力軸の回転角度、あるいは、ターボチャージャの可変よく制御機構用アクチュエータの出力軸の回転角度の検出などに広く利用できる。さらに、一般産業機械・産業用ロボット・医療機器・建設機械・掘削機・測定機器・輸送機器・自動車・船舶などあらゆる分野で使用可能である。また、回転角に限らず傾斜角を検出することもできる。

本発明の非接触式回転角度検出センサの構成を示すブロック構成図。 本発明の非接触式回転角度検出センサの組立図。 本発明のＧＭＲ素子センサ部の平面図。 ＧＭＲ素子センサの断面図。 差動増幅器からの出力信号波形図。 出力信号の角度誤差図。 出力比ｘと回転角Θの関係図。 出力信号の角度誤差の比較図。 本発明のキャリブレーションのフロー図。 本発明のセンサ補正のフロー図。 出力振幅Ａ，Ｂの温度特性。 出力振幅比αの温度特性。 本発明による非接触式回転角度検出センサと従来例の出力誤差特性。

符号の説明

１ 非接触式回転角度検出センサ
２ ＧＭＲ素子
３，１７ 非磁性基板（支持部材）
４ 信号処理回路部
５ 回転軸
６ 磁石
７ 外部磁界
８ａ，８ｂ 第一および第二のホーイストン・ブリッジ回路
９ａ，９ｂ 差動増幅器
１０ 信号処理部
１１ メモリ
１２ 外部信号処理部
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 接続端子
１４ 角度基準方向
１５ 固定磁性層の磁化方向
１６ フリー磁性層の磁化方向
１８ 下地層
１９ 反強磁性層
２０ 固定磁性層
２１ 非磁性導電層
２２ フリー磁性層
２３ 保護層
２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１ 特性曲線
４０ 端子電極

Claims (9)

1. 回転軸と共に回転する磁界発生手段が発生する磁界の変化を電気信号に変換するセンサ素子部と、
   このセンサ素子部が出力する電気信号出力を演算処理して前記回転軸の回転角度に対応する角度信号を出力する演算処理部とを備えた非接触式回転角度検出センサ装置であって、
   前記センサ素子部は、前記回転軸の回転角に対して位相の異なる正弦波出力Ｖｘ，余弦波出力Ｖｙを出力する第１及び第２の二つのセンサ素子を有し、
   前記信号処理手段が前記センサ素子からの出力信号の正弦波，余弦波波形が持つ歪を基準正弦波，余弦波波信号に基づいて補正する補正演算機能を備えるものにおいて、
   前記信号処理手段は被角度検出領域において測定角度を５次以上の高次多項式によって算出する角度算出機能を有し、
   前記信号処理手段は当該高次多項式によって測定角度を算出する際の前記補正演算に用いるための前記第１センサ素子の正弦波出力Ｖｘ、及び第２センサ素子の余弦波出力Ｖｙのオフセット値（Δｘ＝（ｍａｘ（Ｖｘ）＋ｍｉｎ（Ｖｘ））／２，Δｙ＝（ｍａｘ（Ｖｙ）＋ｍｉｎ（Ｖｙ））／２）と、振幅比（α＝Ａ／Ｂ、ただし、Ａ＝（ｍａｘ（Ｖｘ）−ｍｉｎ（Ｖｘ）／２，Ｂ＝（ｍａｘ（Ｖｙ）−ｍｉｎ（Ｖｙ））／２）とを記憶する記憶部を備え、
   当該記憶部は、さらに前記基準角度信号に基づいて補正した前記第１及び第２のセンサ素子の補正正弦波出力Ｖｘ′，補正余弦波出力Ｖｙ′の出力比ｘ（ｘ＝Ｖｘ′／Ｖｙ′またはＶｙ′／Ｖｘ′）を変数として前記５次以上の多項式にて前記補正後の角度を近似する角度演算式、Θ＝ａｘ⁵＋ｂｘ⁴＋ｃｘ³＋ｄｘ²＋ｅｘ＋ｆ（ただし定数ｆは基準回転角Θ＝０に対するセンサ個体のオフセット角度誤差であり、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは理想の正弦波および余弦波からの差異に起因する非直線性を補正する定数である。）の各項の補正定数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）を記憶しており、
   前記信号処理手段の前記角度算出機能は、前記記憶部に記憶された前記オフセット値（Δｘ，Δｙ）、振幅比（α）および補正定数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）に基づいて前記５次以上の高次多項式によって測定角度を算出するものである
   ことを特徴とする非接触式回転角度検出センサ装置。
2. 請求項１に記載の非接触式回転角度検出センサにおいて、前記センサ素子は、少なくとも磁化の向きが固定された固定磁性層と、非磁性導電層と、フリー磁性層を有する多層構造の巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）が、所定の磁化の向きに設定された固定磁性層を有する複数のＧＭＲ素子からなり、
   所定の磁化の向きに設定された固定磁性層を有する４個のＧＭＲ素子からなる第一のホーイストン・ブリッジ回路と、第一のホーイストン・ブリッジ回路とは位相が９０度異なるなる方向に所定の磁化の向きに設定された固定磁性層を有する４個のＧＭＲ素子からなる第二のホーイストン・ブリッジ回路から構成されたことを特徴とする非接触式回転角度検出センサ装置。
3. 請求項１ないし２に記載の非接触式回転角度検出センサ装置において、前記第１及び第２の出力Ｖｘ，Ｖｙは、前記ＧＭＲ素子からなる第一および第二のホーイストン・ブリッジ回路からの出力を差動増幅器により増幅した後の出力であることを特徴とする非接触式回転角度検出センサ装置。
4. 請求項１ないし３に記載の非接触式回転角度検出センサにおいて、前記第１及び第２のセンサ素子の出力Ｖｘ，Ｖｙの振幅値とオフセット値を補正前の個別センサの測定値に基づいて前記第１及び第２のセンサ素子の補正出力Ｖｘ′，Ｖｙ′を補正するに当って、補正前の個別センサの測定は室温近傍の一定温度環境にて測定されたデータに基づいて補正されることを特徴とする非接触式回転角度検出センサ装置。
5. 被検出素子部の温度変化に依存して出力が変化するセンサ素子を用いた非接触式回転角度検出センサの出力補正方法であって、
   前記被検出素子部の第１センサ素子が回転角度に応じて発生する正弦波出力（Ｖｘ）と、第２センサ素子が発生する余弦波出力（Ｖｙ）とを基準回転角度（Θ）と比較して、前記第一センサ素子の正弦波出力と、前記第二センサ素子の余弦波出力とを補正する高次近似多項式を求めるものにおいて、
   ５次以上の高次近似多項式、Θ＝ａｘ⁵＋ｂｘ⁴＋ｃｘ³＋ｄｘ²＋ｅｘ＋ｆ（ただし定数ｆは基準回転角Θ＝０に対するセンサ個体のオフセット角度誤差であり、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは理想の正弦波および余弦波からの差異に起因する非直線性を補正する定数である。）によって前記被検出体の回転角度を演算すると共に、
   特定の被検出回転角度領域における前記高次多項式の各項の定数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）を温度依存性の低い補正係数によって求めることを特徴とする非接触式回転角度センサの出力補正方法。
6. 請求項５に記載のものにおいて、
   前記温度依存性の低い補正係数は、
   （１）第１センサ素子が発生する正弦波出力（Ｖｘ）と第２センサ素子が発生する余弦波出力（Ｖｙ）のオフセット電圧（Δｘ＝（ｍａｘ（Ｖｘ）＋ｍｉｎ（Ｖｘ））／２，Δｙ＝（ｍａｘ（Ｖｙ）＋ｍｉｎ（Ｖｙ））／２）、
   （２）両出力波形の振幅比（α＝Ａ／Ｂ、ただし、Ａ＝（ｍａｘ（Ｖｘ）−ｍｉｎ（Ｖｘ）／２，Ｂ＝（ｍａｘ（Ｖｙ）−ｍｉｎ（Ｖｙ））／２）
   （３）前記オフセット電圧（Δｘ、Δｙ）と振幅比（α＝Ａ／Ｂ）とによって補正された補正正弦波出力（Ｖｘ′）と補正余弦波出力（Ｖｙ′）との出力比ｘ（ｘ＝Ｖｘ′／Ｖｙ′またはＶｙ′／Ｖｘ′）であり、
   前記各項の定数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）は、
   前記出力比ｘを変数として前記５次以上の多項式にて前記補正後の角度を近似する前記角度演算式、Θ＝ａｘ⁵＋ｂｘ⁴＋ｃｘ³＋ｄｘ²＋ｅｘ＋ｆ（ただし定数ｆは基準回転角Θ＝０に対するセンサ個体のオフセット角度誤差であり、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは理想の正弦波および余弦波からの差異に起因する非直線性を補正する定数である。）を算出した時の各項の定数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）として求められる、
   ことを特徴とする非接触式回転角度センサの出力補正方法。
7. 請求項５若しくは６のいずれかに記載のものにおいて、
   前記各項の定数（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）は複数の被検出回転角度領域において異なった値である
   ことを特徴とする非接触式回転角度センサの出力補正方法。
8. 請求項７に記載のものにおいて、
   前記複数の被検出回転角度領域は前記第１センサ素子の補正正弦波出力（Ｖｘ′）と、第２センサ素子の補正余弦波出力（Ｖｙ′）の正負と絶対値の大小関係から決定される
   ことを特徴とする非接触式回転角度センサの出力補正方法。
9. 請求項８に記載のものにおいて、
   前記複数の被検出回転角度領域は前記出力比（ｘ）が１以下になるよう全検出回転角度範囲を分割したものであり、
   各被検出回転角度領域において、前記基準回転角（Θ）と前記出力比（ｘ）との関係から、基準値に一致するように実測値を５次多項式によって近似補正することで前記各項の定数を得る
   ことを特徴とする非接触式回転角度センサの出力補正方法。

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